История химии с древнейших времен до конца XX века. В 2 т. Т. 2

В XIX столетии — в эпоху пара и электричества — специалисты были поставлены перед практической необходимостью широко исследовать свойства металлов и диэлектриков. Металлы интересовали ученых и инженеров как проводники электричества, а диэлектрики — как изоляторы. Все исследования твердых тел того времени были подчинены одной главной цели — обеспечить технологию производства этих материалов для удовлетворения нужд электротехнической промышленности.

Полупроводники[85], занимающие промежуточное положение между металлами и неметаллами по величине электропроводности, в тот период не вызывали интереса у ученых и технологов, работающих в области создания электротехнических устройств. Несмотря на то, что многие полупроводники — как простые вещества, так и соединения, были открыты достаточно давно (таблица 8.4), их не использовали по прямому назначению. 

Таблица 8.4

Исторические сведения об открытии простых веществ с полупроводниковыми свойствами

(Простое вещество с полупроводниковыми свойствами … Ученые, открывшие вещество … Дата открытия)

Те … М.Г. Клапрот … 1798 г.

Se … Й.Я. Берцелиус … 1817 г.

Si … Л.Ж. Тенар, Ж.Л. Гей-Люссак, Й.Я. Берцелиус … 1823 г.

Ge … К.А. Винклер … 1886 г. 

Например, в XIX столетии селен использовали при изготовлении цветного стекла, а карбид кремния SiC — как абразивный материал. В 1873 г. американский физик У. Смит открыл явление фотоэффекта в селене.

В начале XX в. с изобретением радиосвязи возникла необходимость в изготовлении простейших радиоприемников. В это время весьма популярными оказались детекторные приемники. В некоторых из них применяли твердотельный детектор, который представлял собой кристалл какого-либо полупроводника, как правило, сульфида свинца PbS, сульфида кадмия CdS или карборунда SiC, в который упиралась тонкая металлическая проволока. Положение контакта металла с полупроводниковым кристаллом можно было менять, добиваясь наибольшей громкости звучания приемника. По сути, такое устройство представляет собой простейший диод Шоттки, поэтому принцип работы кристаллического детектора не отличается от современного квадратичного амплитудного детектора на основе полупроводникового диода.

В начале 1920-х гг. Se и Cu₂O стали использовать для производства выпрямителей электрического тока. Массовое производство таких устройств наладила фирма Westinghouse Electric. Выпрямители тока использовали в радиоприемниках, а также в зарядных устройствах для аккумуляторов. В 1923 г. немецкий физик В. Шоттки опубликовал теорию твердотельных выпрямителей тока, в которой подчеркивалось их сходство с лампами — диодами.

Во время Второй мировой войны исследования в области радарной техники привели к созданию приборов, работающих в области ультравысоких и сверхвысоких радиочастот. Надежную работу новых военных радаров не могли обеспечить ламповые усилители, поэтому возникла неотложная задача создания их высокочастотных аналогов.

^{Кристаллический детектор. 1906–1908 гг.}

Решением этой научно-технической проблемы занимался один из сотрудников Bell Labs Рассел Шумейкер Ол.

В качестве исходного устройства он решил использовать кристаллический детектор. В результате исследований, выполненных в 1939–1940 гг., он доказал, что устройства на основе кристаллов германия способны обеспечить необходимые технические характеристики усилителей нового поколения. Кроме того, он пришел к чрезвычайно важному выводу о том, что свойства полупроводникового кристалла зависят от содержания в нем чужеродных примесей. Самым главным итогом исследований Ола совместно с У. X. Браттейном явилось выяснение механизма работы p-n перехода^{686}.

Уолтер Хаузер Браттейн (1902–1987) 

Американские ученые, вооруженные новыми знаниями, в нескольких университетах и научно-исследовательских центрах сосредоточили свои усилия в работе над получением более совершенных кристаллов германия. В течение года коллективу исследователей удалось усовершенствовать технологию получения кристаллов германия, пригодных для использования в радарах военного назначения.

Сразу после окончания Второй мировой войны Bell Labs сформировала научную группу, которую возглавил американский физик У.Б. Шокли. Основной целью этого коллектива явилось создание полупроводникового аналога вакуумного триода^{687}. Для работы над этим проектом У. Шокли пригласил физиков У. X. Браттейна и Дж. Бардина^{688}, а также химика Стенли Моргана. 23 декабря 1947 г. группа американских ученых решила поставленную задачу — на основе поликристалла германия был создан биполярный n-р-п транзистор, способный усиливать исходный электрический сигнал. Новый прибор составлял всего 1/50 часть от размеров своего лампового аналога.